電子科技快速發展，芯片高度集成化帶來更快的數據處理容量、更快的計算速度、更多功能的同時，一方面使得器件熱流密度不斷增大，甚至呈現近幾何增長的規律；另一方面由于芯片上電路或組件布置和集成不均，造成芯片上功率分布不均，不同位置的產熱量存在較大差異，而引起局部熱流過高，使電子設備的可靠性受到了嚴重影響。為有效解決這一“熱障”問題，采取高效的散熱結構和散熱介質非常有必要。

圖源：降本設計

高效的散熱方式——微通道結構

傳統自然和強制空氣對流冷卻散熱能力低于 100 W/cm² 已經逐漸不能滿足高熱通量電子設備的散熱要求。于是，研究人員提出了微熱管、真空腔均熱板以及微通道散熱器等新興技術。其中微通道散熱器具有結構緊湊、散熱能力強和噪音小等優點，被認為是最具有前景的高熱通量散熱技術之一。

微通道結構

所謂微通道，是指流體通道的水力直徑從幾微米到幾百微米的通道。這個概念的首次提出源自于1981年，Tuckerman和Pease在對水流過芯片上的換熱通道進行研究時，發現水力直徑與換熱能力呈負相關關系。據此他們采用濕法腐蝕工藝直接在Si 基板上刻蝕出寬 50 μm、深 300 μm 的多條平行微通道，之后在微通道中通入冷卻介質，通過微泵來驅動冷卻介質的強制對流，實現了散熱熱流密度高達 790 W/cm²，整體散熱基板的熱阻低于 0.09℃/W的高效散熱效果。

微通道散熱基本結構

與常規冷卻系統相比，微通道冷卻系統具有微尺度效應，不僅在相同體積下傳熱面積更大，冷卻介質將產生沸騰傳熱效應，溶液中產生的氣泡將對流體流動產生擾動, 增強渦流效應，式整體散熱性能更高。而且可直接將其蝕刻在芯片基板內部，既保證芯片熱源到冷卻介質的傳熱路徑盡可能短，器件體積盡可能小，還與傳統基板制造工藝兼容，適合高密度集成微系統應用，能夠在提高封裝體功能密度的同時降低成本。因此，微通道熱沉散熱技術在高密度集成微系統中有著巨大的應用前景。

各類散熱技術對應的傳熱系數對比

高潛熱冷卻介質——相變微膠囊懸浮液

在微通道散熱技術中，冷卻介質對微流道結構的散熱能力產生很大的影響。目前，微通道熱沉冷卻介質主要采用空氣、液態水、乙二醇等，但顯然這些材料已經越來越難以適應大功率器件/系統的散熱需求，因此具有高潛熱特性的相變微膠囊懸浮液受到了人們的關注。

相變微膠囊是以相變材料作為芯材用聚合物或無機材料等壁材通過為微膠囊化方法進行封裝而形成的微米級固體顆粒，其芯材（相變材料）在溫度變化時能夠從一個物態轉變為另一個物態，并伴隨著大量的潛熱吸收或釋放，而其壁材可以解決傳統相變材料中的各種問題，如發生相變時前后體積變化大，熱形變冷卻介質顆粒易導致微通道堵塞，泄漏風險較高，部分相變材料還易腐蝕散熱通道等。

典型相變材料：水的相變

相變微膠囊的顆粒形貌

利用相變微膠囊與傳統單相流體(基液)經攪拌混合而成的相變微膠囊懸浮液，并將其應用于散熱器或其他電子設備的散熱系統中，不僅能在傳熱過程中利用相變材料的相變潛熱能力，強化懸浮液的對流傳熱作用，提升設備運行時的傳熱效率，使設備溫度保持在安全范圍內，還可以將相變材料與周圍環境隔離，避免腐蝕散熱器件，改善熱穩定性。

總結

微通道結構具有微尺度效應，相比常規散熱結構具有更大的傳熱面積，將它刻蝕于電子設備的芯片上，還可縮短芯片發熱源到散熱介質的傳熱路徑，能夠迅速把局部高溫待到更大的表面上，提升整體的散熱性能。但其本質上也依賴于散熱介質的導熱能力，傳統的冷卻介質空氣、液態水、乙二醇等無法滿足越來越高的散熱需求，而相變微膠囊懸浮液可以充分利用相變材料高潛熱特性，強化懸浮液在通道內的對流換熱，平衡芯片上的溫度分布，同時也能避免一些相變材料在微通道中易堵塞、易腐蝕、易泄露的問題，為電子設備局部熱流過高、熱流密度大的問題提供了一個新思路。

由于微通道具有微尺度效應，相變微膠囊懸浮液將在其中相將產生沸騰傳熱效應，溶液中產生的氣泡將對流體流動產生擾動, 增強渦流效應，同時氣泡貼近管壁,減小管壁阻力的同時將減薄流體的溫度邊界層,從而增強液體與管壁之間的傳熱。

參考來源：

1、李梓龍,王智彬,賈莉斯等.非均勻熱流下細小通道內相變微膠囊懸浮液傳熱特性[J].制冷學報.

2、[1]鄭浩.微通道流動沸騰冷卻技術及應用[J].應用技術學報.

3、用于高密度集成微系統的微通道散熱技術研究進展

4、[1]鮑義斌. 相變微膠囊懸浮液的流動與傳熱特性及在電池熱管理中的應用[D].中國礦業大學.

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